用于消除进水口立轴漩涡的可移动悬浮式消涡梁系统

摘要

本发明公开了一种用于消除进水口立轴漩涡的可移动悬浮式消涡梁系统，其构成包括设置在进水口洞脸壁面上的垂直导轨，沿垂直导轨可上下滑动的滑动小车，悬浮于水面用于消除立轴漩涡的消涡梁和设置于进水口本岸上下游两侧的卷扬机。消涡梁的一端通过可在水平面回转的平面支铰安装在小车上，设置在进水口本岸上下游两侧的卷扬机上的钢缆与消涡梁上的牵引点连接，用以控制调整消涡梁在水面的位置。本发明的消涡梁可随水位的变化而上下浮动，可在洞前水面平面转动，具有适应水头范围广、变动幅度大等优点，能防止进水口前形成卷气立轴漩涡，继而消除立轴漩涡对各建筑物的不利影响。

说明书

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，特别涉及用于消除取水口或导流隧洞进口等部位的立轴漩涡的设施。

背景技术

对于取水口或导流隧洞进口等水利水电工程，当进水口淹没水深介于发生立轴漩涡的下限水位与上限水位之间时，便可能会在进水口前形成卷气立轴漩涡。尤其对于水位变动幅度较大的工程，当进水口前的水流具备产生环量的条件之后，极容易在进水口前形成贯穿性的卷气立轴漩涡。立轴漩涡一旦形成，不但会影响泄流能力，且更为严重的是，在影响泄流能力同时会引发建筑物的无规律震动，进而危害建筑物的运行安全。

在取水口的设计中，通常按经验公式确定合理的淹没深度，以避免取水口或导流隧洞进口形成立轴卷气漩涡，然而，由于立轴漩涡的形成边界条件比较复杂，设计好的取水口或导流隧洞往往仍会发生立轴漩涡。对于某些立轴漩涡危害较大的工程，需补充修建消涡措施，常用的消涡措施主要包括固定式消涡梁、消涡板、消涡柱(群)等，但这些设施存在适应水头范围小、立轴漩涡范围窄等缺陷，无法满足不同水位、不同位置下的立轴漩涡消除任务。

发明内容

针对现有技术用于消除立轴漩涡的设施的技术现状和存在的问题，本发明旨在提供一种全新结构的可随水位变化而上下浮动且能平面转动的悬浮式消涡梁，以解决现有技术的用于消除进水口立轴漩涡设施存在的适应水头范围小，立轴漩涡范围窄等问题。

本发明的基本设计思想：设计一个能随水位上下浮动的悬浮消涡梁，利用消涡梁阻断水流形成产生立轴漩涡的环量，消除在取水口或导流隧洞进口前水位介于发生漩涡下限水位与上限水位之间即将形成的立轴漩涡，以避免立轴漩涡对泄流能力的影响和对水工建筑物运行安全的危害。

本发明针对所要解决的技术问题提供的用于消除进水口立轴漩涡的可移动悬浮式消涡梁系统，其技术方案构成包括：设置在进水口洞脸壁面上的垂直导轨，沿垂直导轨可上下滑动的滑动小车，悬浮于水面用于消除立轴漩涡的消涡梁和设置进水口本岸上下游两侧的卷扬机，消涡梁的一端通过可在水平面回转的平面支铰安装在小车上，设置在进水口本岸上下游两侧的卷扬机上的钢缆与消涡梁两侧牵引连接，控制调整消涡梁在水面的位置。

在本发明的上述技术方案中，为了提高悬浮梁的稳定性，最好在进水口对岸设置一卷扬机，使其钢缆与消涡梁外端牵引连接。

在本发明的上述技术方案中，所述消涡梁的结构可优先设计成，包括金属材质的桁架，设置在桁架内由柔性材质制作的浮筒和用于向浮筒内注水与从浮筒内排水的注排水泵，所述浮筒上设计有在注排水过程用于排气和进气的节气阀。所述桁架优先设计成上方开口矩形断面的桁架，设置在桁架内的冲胀浮筒用若干条肋带固定在桁架内；也可设计成筒形桁架，浮筒直接置于筒形桁架内，不需另外用肋带进行特别固定。悬浮梁的设计，需保障浮筒冲胀后的体积能平衡消涡梁自重使消涡梁悬浮于水面且顶端不高于水面5cm。浮筒通常采用橡胶制作。

在本发明的上述技术方案中，所述注排水泵，可采用两个水泵，一个用于向浮筒注水的注水泵，一个用于从浮筒内向外排水的排水泵。也可采用一个水泵，通过改变水泵的进出水管口连接方向，来实现向浮筒注水或从浮筒内向外排水。后一种方式操作比较麻烦，但可降低设施成本。优选前一种方式。

在本发明的上述技术方案中，所述垂直导轨的长度应为能使消涡梁随水面在上限水位与下限水位之间浮动。

在本发明的上述技术方案中，设置在进水口本岸上下游两侧的卷扬机上的钢缆于消涡梁上的牵引点，其位置最好位于距进水口洞脸(1/2～2/3)梁长处。

在本发明的上述技术方案中，消涡梁在垂直方向的直径(高度)d优先控制在如下范围内：

d＝(0.1～0.3)D

D为引水口的直径。

在本发明的上述技术方案中，所述消涡梁的梁长L优先控制在如下范围内：为：

L＝(0.75～1)D

D为引水口的直径。

本发明提供的用于消除进水口立轴漩涡的可移动悬浮式消涡梁系统，通过注排水泵和在浮筒上设置的节气阀，实现向浮筒内注入一定量水与空气，保障消涡梁悬浮于进水口前的水面内。消涡梁的一端通过可在水平面回转的支铰结构安装在滑动小车上，滑动小车沿垂直设置的导轨上下滑动，构成消涡梁的浮筒充胀后的体积能平衡消涡梁自重，使得消涡梁可随水位高低变化上下浮动，始终悬浮于水面内且顶端不高于水面5cm。又通过设置在进水口本岸上下游两边的卷扬机和设置进水口对岸的卷扬机，保证了消涡梁稳定悬浮于进水口前的立轴漩涡发生的位置，且能根据立轴漩涡位置的变化进行调整，能够消除因边界变化在不同位置形成的立轴漩涡，提高了进水口的泄流能力，避免引发建筑物无规律的震动，消除了对水工建筑物运行安全的危害，即本发明提供的消涡梁系统能随水位的变化而上下浮动和在进水口前水面平面转动，具有适应水头范围广、变动幅度大等优点，能有效防止进水口前形成卷气立轴漩涡，继而消除立轴漩涡对各建筑物的不利影响。

本发明在实际实施过程中，消涡梁的设计通常涉及以下计算公式：

F_浮力＝G_总>

F_浮力＝ρgV_水下(2)

V_水下＝S_水下L>

S_水下＝S_浮筒底-S_水上>

S_浮筒底＝0.25πd²>

a＝kd-0.5d(7)

G_总＝G_浮筒+G_桁架+G_水+G_小车+G_辅件(9)

G_浮筒＝ρ_橡胶gS_浮筒(10)

S_浮筒＝0.25πd²+πdL(11)

G_桁架＝ρ_钢筋g∑n_il_i>

G_小车＝G_车体+G_车轮(13)

G_辅件＝G_泵+G_阀+G_水位仪+G_其他>

上述公式中各符号的含义如下：

F_浮力—消涡梁所受浮力，N；

G_浮力—消涡梁总重，包括浮筒重量、浮筒内所装水的重量、桁架重量、小车重量、其他辅件的重量，N；

ρ—水的密度，1000kg/m³；

V_水下—消涡梁浮筒水面以下部分体积，m³；

S_水下—消涡梁浮筒底面水面以下部分面积，m²；

S_浮筒底—消涡梁浮筒底面积，m²；

S_水下—消涡梁浮筒底面水面以下部分面积，m²；

S_水上—消涡梁浮筒底面水面以上部分面积，m²；

L—消涡梁长度，L＝(1.5～2)×0.5D＝(0.75～1)D，m，其中D为引水口直径，m；

d—消涡梁浮筒底面直径，(0.1～0.3)D，m；

a—水面高出消涡梁浮筒底面圆心的高度，m；

b—水面所割消涡梁浮筒底面弦长，m；

k—消涡梁浮筒淹没深度与浮筒地面直径之比，本设计中消涡梁顶部需基本与水面齐平或略高于水面，出露高度控制在5cm以内，故k值接近1；

G_浮筒—消涡梁浮筒重量，N；

G_桁架—消涡梁浮筒表面桁架重量，N；

G_小车—消涡梁小车重量，N，包括车体重量G_车体、车轮重量G_车轮；

G_浮力—消涡梁浮筒内所装水的重量，N；

G_辅件—消涡梁辅助构件的重量，N，包括水泵重量G_辅件、浮筒节气阀的重量G_阀、电子水位仪G_水位仪以及其他包括浮筒与小车连接部分等的重量G_其他；

ρ_橡胶—消涡梁浮筒所用橡胶布单位面积的质量，kg/m²；

S_浮筒—消涡梁浮筒表面积，m²；

ρ_钢筋—消涡梁浮筒表面桁架所用钢筋单位长度的质量，kg/m；

n_i，l_i—消涡梁浮筒表面桁架所用钢筋按使用长度分类，n_i为第i类的数量，l_i为第i类的单根长度，m；

h—消涡梁浮筒所注入水的深度，m。

附图说明

附图1是可移动悬浮式消涡梁的俯视结构示意图。

附图2是可移动悬浮式消涡梁在垂直河道截面方向的视结构示意图。

附图3-1是附图2中A-A向截面结构示意图。

附图3-2是附图2中B-B向截面结构示意图。

上述附图中各图示标号标识的对象分别为：1—消涡梁；2—平面支绞；3—滑动小车；4—导轨；5—卷扬机；6—消涡梁转动轨迹线；7—漩涡可能发生范围包络线；8—牵引钢缆；9—节流阀；10—排水泵；11—注水泵。

具体实施方式

下面结合附图说明给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明作进一步的说明，以便于更加容易地理解本发明。但需要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于下面实施例所描述的形式，所属领域的技术人员在不付出创造性劳动的情况下，还可很容易地设计出其他的具体实施方式，因此不应将下面给出的具体实施方式的实施例理解为本发明的保护范围，将本发明的保护范围限制在所给出的实施例。

实施实例

本实施例用于消除进水口立轴漩涡的可移动悬浮式消涡梁系统，其结构如附图1、附图2、附图3-1和附图3-2所示，其结构包括固定设置在进水口上方洞脸壁面上的单条垂直导轨4，沿垂直导轨可上下滑动的滑动小车3，悬浮于水面用于消除立轴漩涡的消涡梁1，设置进水口本岸上游一侧的3#卷扬机5，设置进水口本岸下游一侧的2#卷扬机和设置进水口对岸的1#卷扬机，消涡梁的一端通过可在水平面回转的平面支铰2安装在小车上，设置在进水口本岸上下游两侧的卷扬机上的钢缆8与消涡梁中间靠外边上的牵引点连接，以控制调整消涡梁在水面的位置，设置进水口对岸的1#卷扬机上的钢缆8与消涡梁外端上的牵引点连接，以增强消涡梁在水面的稳定性；所述垂直导轨的长度为能使消涡梁随水面在上限水位与下限水位之间浮动；所述消涡梁的构成，包括上方开口矩形截面的钢材质桁架，设置在桁架内由橡胶制作的浮筒，位于桁架上用于向浮筒内注水的注水泵11和将水从浮筒内排出的排水泵10构成，浮筒上设计有在注水过程用于排气和在排水过程用于充气的节流阀9，浮筒用若干条肋带固定在桁架内；消涡梁在垂直方向的直径(浮筒充胀后的直径)d为引水口直径D的0.2倍，消涡梁的长度L为引水口直径D的1倍；消涡梁整体设计应能使浮筒充胀后的体积平衡消涡梁自重且使消涡梁悬浮于水面，而顶端不高于水面5cm。设置在进水口本岸上下游两侧的卷扬机上的钢缆于消涡梁上的牵引点，位于距进水口洞脸2/3梁长的位置。